volatile详解

Posted 2020-12-17 jiezao

1.1作用

1. 防止指令重排
2. 使得多线程下的共享资源能够独自修改使用。解决缓存不一致问题。

1.2相关知识

1.Java内存模型

1.3详解

一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile修饰之后，那么就具备了两层语义：
1.保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。
2.禁止进行指令重排序。
假如我们需要一个线程等待另一个线程启动后执行某些方法，一般会这样写：

//线程1
//标志位
boolean?stop =?false;
while(!stop){
????doSomething();
}
//线程2
stop =?true;

这样的写法大多数情况下都可以生效，但是存在一种可能产生死循环：在前面已经解释过，每个线程在运行过程中都有自己的工作内存，那么线程1在运行的时候，会将stop变量的值拷贝一份放在自己的工作内存当中。那么当线程2更改了stop变量的值之后，但是还没来得及写入主存当中，线程2转去做其他事情了，那么线程1由于不知道线程2对stop变量的更改，因此还会一直循环下去。
但是用volatile修饰之后就变得不一样了：
1.使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存。
2.当线程2进行修改时，会导致线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效。
3.由于线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效，所以线程1再次读取变量stop的值时会去主存读取。那么线程1读取到的就是最新的正确的值。

但是volatile不能保证操作的原子性：例如下面这段代码

public class Test{

public volatile int inc = 0;
public void increase(){
        inc++;
    System.out.println(inc);
    }
public static void main(String[]args) {
    final Test test = new Test();
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 1000; j++)
                test.increase();
        }).start();
    }
}
}

最后跑出来的inc值肯定会小于1000000（如果不对就再将线程开多点，加大出现问题的几率）。因为一般的自增操作并不是原子操作，可能存在一种情况：
1.某个时刻变量inc的值为10，线程1对变量进行自增操作，线程1先读取了变量inc的原始值，然后线程1被阻塞了。
2.然后线程2对变量进行自增操作，线程2也去读取变量inc的原始值，由于线程1只是对变量inc进行读取操作，而没有对变量进行修改操作，所以不会导致线程2的工作内存中缓存变量inc的缓存行无效，所以线程2会直接去主存读取inc的值，发现inc的值时10，然后进行加1操作，并把11写入工作内存，最后写入主存。
3.然后线程1接着进行加1操作，由于已经读取了inc的值，注意此时在线程1的工作内存中inc的值仍然为10，所以线程1对inc进行加1操作后inc的值为11，然后将11写入工作内存，最后写入主存。那么两个线程分别进行了一次自增操作后，inc只增加了1。
解释到这里，可能有朋友会有疑问，不对啊，前面不是保证一个变量在修改volatile变量时，会让缓存行无效吗？然后其他线程去读就会读到新的值，对，这个没错，但是要注意，线程1对变量进行读取操作之后，被阻塞了的话，并没有对inc值进行修改。然后虽然volatile能保证线程2对变量inc的值读取是从内存中读取的，但是线程1没有进行修改，所以线程2根本就不会看到修改的值。根源就在这里，自增操作不是原子性操作，而且volatile也无法保证对变量的任何操作都是原子性的。　
在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作类，即对基本数据类型的 自增（加1操作），自减（减1操作）、以及加法操作（加一个数），减法操作（减一个数）进行了封装，保证这些操作是原子性操作。atomic是利用CAS来实现原子性操作的（Compare And Swap），CAS实际上是利用处理器提供的CMPXCHG指令实现的，而处理器执行CMPXCHG指令是一个原子性操作。

1.4volatile的原理和实现机制

观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令：lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：
1.它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；
2.它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；
3.如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。

1.5小结

synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，那么就会很影响程序执行效率，而volatile关键字在某些情况下性能要优于synchronized，但是要注意volatile关键字是无法替代synchronized关键字的，因为volatile关键字无法保证操作的原子性。